Влияние различных факторов на электрическую прочность твердых диэлектриков

Влияние природы диэлектриков

На величину Е_пр твердых диэлектриков влияют их химический состав и строение. При электротепловом пробое Е_пр диэлектрика тем ниже, чем больше значения его ε и tg δ и меньше удельное сопротивление ρ_v (см. формулы 2.10 и 2.11).

Полимерные диэлектрики в порядке уменьшения Е_пр могут быть разделены на три группы:

1) неполярные полимеризационные полимеры – полиэтилен, полипропилен, полистирол, политетрафторэтилен и др. (ε = 2–2,6; tg δ = 10⁻⁴ ; ρ_v = = 10¹⁴–10¹⁸ Ом ∙ м; Е_пр ≈ до 60 МВ/м при h ≈ 1 мм; Е_пр ≈ до 250 МВ/м при h ≈ 0,02 – 0,1 мм);

2) полярные полимеризационные полимеры – поливинилхлорид, полиимиды, политрифторхлорэтилен и др. (ε = 3–6; tg δ ≈ 10⁻² ; ρ_v = 10¹¹––10¹⁴ Ом ∙ м; Е_пр ≈ до 40 МВ/м при h ≈ 1 мм; Е_пр ≈ до 180 МВ/м при h ≈ 0,02–0,1 мм);

3) поликонденсационные полимеры – фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др. (ε = 3,5–8; tg δ ≈ 10⁻³–10⁻¹; ρ_v = 10⁹–10¹⁴ Ом ∙ м; Е_пр ≈ до 20 МВ/мм при h ≈ 1 мм; Е_пр ≈ до 80 МВ/м при h ≈ 0,02–0,1 мм).

Диэлектрики ионного строения в порядке уменьшения Е_пр могут быть разделены на две группы:

1) кристаллические с плотной упаковкой ионов – кварцевое стекло, боратное стекло, ситаллы и др. (ε = 2,8–3,7; tg δ ≈ 2 ∙ 10⁻⁴ ; ρ_v ≈ 10¹⁵ Ом ∙ м; Е_пр ≈ до 80 МВ/м при h ≈ 1 мм и переменном напряжении; Е_пр ≈ до 500 МВ/м при постоянном напряжении;

2) кристаллические с неплотной упаковкой ионов (электротехнический фарфор, материалы на основе слюды – микалексы, миканиты и др.) и аморфные (неорганическое щелочное стекло и др.); материалы имеют следующие характеристики: ε = 5–16 ; tg δ ≈ 10⁻⁴–10⁻²; ρ_v ≈ 10¹⁰–10¹² Ом∙м; Е_пр ≈ 10–30 МВ/м при h ≈ 1 мм и переменном напряжении.

Влияние температуры

При электрическом пробое (горизонтальный участок на рис. 15) Е_пр твердых диэлектриков практически не зависит от температуры. Однако, в диэлектриках, которые имеют дефекты, образующие ловушки для электронов, при некоторой температуре возможна термическая ионизация ловушек, увеличение концентрации электронов и уменьшение Е_пр.

Рис. 15. Зависимость электрической прочности Е_пр диэлектриков от температуры Т:

1 – полистирол, 2 – полиэтилен, 3 – фарфор; толщина образцов 1 и 2 – 0,01–0,07 мм, напряжение постоянное; толщина образца 3 – 1,5 мм, f = 50 Гц

При тепловом пробое Е_пр ниже, чем при электрическом пробое. С увеличением температуры Е_пр изменяется с характерным изломом (рис. 15). При низких температурах Е_пр не зависит от температуры, здесь имеет место область электрического пробоя. Выше некоторой критической температуры происходит резкой снижение Е_пр и отсюда уже начинается развитие теплового пробоя. У кристаллизующихся полимеров излом зависимости Е_пр = f(T) наблюдается при достижении температуры плавления, у аморфных полимеров – при температуре стеклования, а затем при температуре текучести. Это связано с тем, что выше температур фазовых и физических переходов в полимерах увеличивается тепловыделение, обусловленное релаксационными диэлектрическими потерями – возрастает интенсивность дипольно-сегментальной и дипольно-групповой поляризаций.

Для диэлектриков ионного строения (керамика, стекло) излом на кривой Е_пр = f(T) обусловлен увеличением интенсивности ионно-релаксационной поляризации при тепловым расширении вещества.

При увеличении температуры окружающей среды T₀ Е_пр диэлектрика уменьшается в соответствии с выражениями (2.10) и (2.11).

Влияние толщины диэлектрика

С увеличением толщины диэлектрика h его электрическая прочность уменьшается (рис. 16).

(а) (б)

Рис. 16. Зависимость электрической прочности Е_пр твердых диэлектриков от толщины h:

1,4 – полистирол; 2 – полиметилметакрилат; 3 – полипропилен;

5 – полиэтилен; пробой осуществлен: 1 – на частоте 50 Гц; 2–5 –на фронте одиночных стандартных импульсов напряжения

В случае электрической формы пробоя (рис. 16,а) при толщине образцов h ≤ 10–20 мкм, у неорганических и органических диэлектриков наблюдается электрическое упрочнение – резкое возрастание Е_пр при уменьшении h. Причиной электрического упрочнения является уменьшение средней длины пробега электрона λ при уменьшении толщины диэлектрика. При этом, в соответствии с выражением (2.1), для приобретения электроном энергии, равной энергии ионизации диэлектрика, требуется большая напряженность электрического поля. При h > 10–20 мкм в однородном поле, в отсутствие разрядов на поверхности и в порах, в отсутствие объемных зарядов Е_пр не изменяется с увеличением толщины образца.

При электротепловой форме пробоя (рис. 16,б) нелинейный характер зависимости Е_пр(h) выражен значительно сильнее, чем в случае электрической формы пробоя, так как с увеличением толщины образца уменьшается коэффициент теплопередачи от системы диэлектрик-электроды в окружающую среду (2.8). Из (2.10) и (2.11) следует, что Е_пр диэлектрика обратно пропорциональна квадратному корню из его толщины h.

Влияние пористости диэлектрика

Наличие в диэлектрике пор, микротрещин, инородных включений и т.п., имеющих величину относительной диэлектрической проницаемости ε, отличную от ε самого диэлектрика, приводит к увеличению в нем неоднородности электрического поля. В результате на локальных участках диэлектрика возрастает напряженность электрического поля, и пробой наступает при более низком напряжении. Электрическая прочность сильнопористых диэлектриков мало отличается от Е_пр воздуха. Поэтому, для увеличения Е_пр пористых диэлектриков, их пропитывают жидкими или воскообразными диэлектриками, электроизоляционными лаками или компаундами.

Влияние площади электродов

Электрическая прочность очень тонких образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов. Это объясняется тем, что с увеличением площади электродов возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест диэлектрика.

Влияние числа слоев изоляции

Электрическая прочность многослойной изоляции имеет экстремальную зависимость от числа тонких слоев (рис. 17). Тонкая (несколько микрометров) однослойная изоляция из неоднородного материала (например, бумаги, картона, высыхающих лаков) имеет невысокую Е_пр, если величина частиц неоднородностей (например, пор) соизмерима с толщиной изоляции. При использовании двух-трех слоев изоляции Е_пр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды. При дальнейшем увеличении числа слоев изоляции Е_пр снижается ввиду ухудшения отвода тепла.

Рис. 17. Зависимость Е_пр тонкослойной изоляции от числа слоев

Влияние частоты напряжения

При электрической форме пробоя Е_пр твердых диэлектриков от частоты приложенного напряжения не зависит. Однако при пробое на импульсах напряжения продолжительностью 10⁻⁷ с и менее Е_пр возрастает. Это связано с уменьшением вероятности образования электронных лавин при малом времени приложения напряжения.

В случае электротепловой формы пробоя с увеличением частоты Е_пр снижается, так как возрастает количество выделяемого тепла в результате возрастающих диэлектрических потерь в соответствии с выражением (2.6).